鄒建平

(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330209)

1 概 述

水利工程中水利材料物理力學(xué)穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)安全的重要前提，對(duì)水利工程材料進(jìn)行力學(xué)特性研究對(duì)推動(dòng)水工設(shè)計(jì)水平具有重要意義[1-3]。陳玲[4]、錢軍剛[5]、崔博等[6]為研究水利材料力學(xué)特性，根據(jù)混凝土、土體等材料顆粒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用顆粒流仿真手段，建立離散元計(jì)算模型，計(jì)算不同影響因素、不同試驗(yàn)環(huán)境下混凝土等水利材料力學(xué)特征變化，推動(dòng)水利材料力學(xué)基礎(chǔ)研究水平。也有一些學(xué)者根據(jù)水工結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)有原型尺寸的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，研究不同結(jié)構(gòu)的相似材料失穩(wěn)破壞過程，探討水利材料力學(xué)水平在水工設(shè)施中重要性[7-9]。不論是數(shù)值仿真計(jì)算還是水工結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，其精度相比室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果均較低，借助精密室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)開展單、三軸或滲透試驗(yàn)[10-12]，進(jìn)行不同因素的力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，推動(dòng)水工材料力學(xué)影響性認(rèn)識(shí)水平，豐富水利工程基礎(chǔ)力學(xué)研究成果。本文根據(jù)莫桑比克Corumana水庫堆筑壩膠礫料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開展不同配合比參數(shù)影響下的力學(xué)穩(wěn)定性分析，為工程設(shè)計(jì)、施工提供重要試驗(yàn)參數(shù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)背景

Corumana水庫是莫桑比克馬普托省重要水利調(diào)度樞紐工程，為區(qū)域生活供水、農(nóng)田灌溉及水力發(fā)電等有著重要作用，乃是區(qū)域內(nèi)不可或缺的水利設(shè)施。該水利樞紐工程包括Corumana心墻堆石壩、泄洪水閘、溢洪道以及其他附屬水利設(shè)施等(衛(wèi)星平面圖見圖1)。水庫建成后年供水量可達(dá)1.5億m3，與下游農(nóng)田輸水灌渠相連通，可實(shí)現(xiàn)日供水量70萬m3，輸水灌渠全長(zhǎng)55km，且為控制輸水流量，在水庫樞紐工程中建設(shè)有6座大中型水閘，作為水利流量調(diào)控設(shè)備，所有水閘設(shè)備均采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行防護(hù)加固，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力不超過1.75MPa；閘室高程為33.5m，采用弧形鋼閘門作為流量通行與啟閉設(shè)施，其有限元分析概念圖如圖2所示，閘門直徑為2.6m，驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定性較好，閘門結(jié)構(gòu)最大變形不超過5mm，無顯著張拉應(yīng)力集中。Corumana水庫溢洪道位于壩體左岸，中心長(zhǎng)度超過295m，渠底采用平滑式設(shè)計(jì)型式，入水口寬度為75m，出水口寬度為55m，以擋土邊墻作為堰頂兩側(cè)抗滑設(shè)施，堰身采用C35混凝土澆筑施工，頂部高程控制在202～215m，抗水力沖刷效果較好，下游消能池可承擔(dān)上游最大泄流量1050m3/s作業(yè)，溢洪道亦設(shè)置有主、次預(yù)應(yīng)力錨索，確保結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性，驗(yàn)算得到最大拉、壓應(yīng)力在蓄水期工程中不超過2MPa，Corumana水庫樞紐工程溢洪道設(shè)施運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性較佳。水庫大壩作為重要防洪、攔水設(shè)施，壩體設(shè)計(jì)高度最大為45m，全長(zhǎng)超過3000m，正常蓄水位117.00m，采用心墻堆石壩形式修建，心墻體曲率為7.5×10-4，彎曲長(zhǎng)度為355m，厚度為1.6m，以膠礫石料作為主要堆筑原材料，分層堆筑，初步確定堆筑壩最大沉降應(yīng)控制在50mm內(nèi)，而Corumana心墻堆石壩變形很大程度上與膠礫石料力學(xué)穩(wěn)定性密切相關(guān)。為此，筆者將以Corumana壩膠礫料為研究對(duì)象，開展膠礫料配合比設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)力學(xué)穩(wěn)定性影響試驗(yàn)，探討膠礫石堆筑壩最佳配合比方案，為工程施工、設(shè)計(jì)提供重要參照。

圖1 Corumana水庫樞紐工程衛(wèi)星平面圖

圖2 閘門有限元模型

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用混凝土三軸力學(xué)RAW-001綜合試驗(yàn)系統(tǒng)開展，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括有加載設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及電腦控制系統(tǒng)等多項(xiàng)獨(dú)立系統(tǒng)，可完成包括多種不同尺寸試樣的常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)(見圖3)。該試驗(yàn)設(shè)備最大測(cè)試荷載均達(dá)1000kN，試驗(yàn)圍壓在0～80MPa，所有荷載監(jiān)測(cè)精度可達(dá)0.01N，試驗(yàn)溫度最大可達(dá)120℃；數(shù)據(jù)有電腦自動(dòng)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括體積變形、圍壓加載位移以及其他荷載相關(guān)數(shù)據(jù)，也有外部傳感器采集的數(shù)據(jù)，軸向變形傳感器LVDT，量程為-15～15mm，環(huán)向變形傳感器最大量程為20mm，數(shù)據(jù)采集間隔為0.5s，試驗(yàn)前均已對(duì)所有傳感器進(jìn)行標(biāo)定，最大誤差不超過0.5%，確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性；電腦控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)試樣荷載位移變化特征，對(duì)試樣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，變換荷載控制或者變形控制方式進(jìn)行加載，確保試驗(yàn)全過程處于精確控制狀態(tài)，本試驗(yàn)中荷載控制速率為30kN/min，變形控制速率為0.02mm/min。

圖3 混凝土三軸力學(xué)RAW-001綜合試驗(yàn)系統(tǒng)

本文試驗(yàn)主要目的為探究Corumana壩膠礫料力學(xué)穩(wěn)定性受配合比參數(shù)影響情況，筆者設(shè)計(jì)以水膠比、砂率兩個(gè)典型特征參數(shù)開展對(duì)比試驗(yàn)分析。所有試樣均取自Corumana壩工程現(xiàn)場(chǎng)，在室內(nèi)進(jìn)行重塑攪拌，按照目標(biāo)配合比參數(shù)進(jìn)行攪拌制樣，經(jīng)精加工、打磨后，所有試樣制成直徑50mm、高度100mm，在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h后進(jìn)行物理特征參數(shù)測(cè)量。水膠比試驗(yàn)組中設(shè)定為0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5，水泥與粉煤灰含量均為50kg/m3，坍落度控制在5～6mm，砂率試驗(yàn)組中設(shè)定為10%、15%、20%、25%、30%、35%，養(yǎng)護(hù)齡期均為14d，三軸試驗(yàn)圍壓設(shè)定為5MPa、10MPa，各組試驗(yàn)方案中保持僅改變單一變量因素。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)具體方案

3 水膠比對(duì)膠礫料力學(xué)特征影響

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

從水膠比試驗(yàn)組所獲得的水膠比影響下試樣應(yīng)力應(yīng)變特征圖(見圖4)中可看出，水膠比參數(shù)對(duì)膠礫料加載應(yīng)力影響具有階段變化節(jié)點(diǎn)，以水膠比0.9為節(jié)點(diǎn)，當(dāng)?shù)陀?.9值時(shí)，試樣承載應(yīng)力與水膠比為正相關(guān)關(guān)系，反之，為負(fù)相關(guān)特征。在圍壓5MPa下，應(yīng)變0.2%時(shí)水膠比0.5試樣加載應(yīng)力為15MPa，而水膠比0.7、0.9試樣相同應(yīng)變下的加載應(yīng)力較之前者分別提升了60.9%、2.05倍，表明水膠比有促進(jìn)膠礫料承載能力的作用。當(dāng)水膠比超過0.9后，在應(yīng)變0.4%下水膠比1.1、1.5試樣的加載應(yīng)力較之水膠比0.9試樣下分別減少了23.5%、31.4%，此階段內(nèi)水膠比愈大，試樣承載應(yīng)力水平愈低，水膠比對(duì)膠礫料具有限制作用。筆者認(rèn)為，當(dāng)水膠比未超過合理區(qū)間時(shí)，水膠比有利于膠礫料承載應(yīng)力提升，此階段水膠比增大，膠凝材料在單位用水量增多的情況下可得到充分水化，漿液變多，對(duì)膠礫料顆粒骨架整體黏聚性具有較大程度提高作用，宏觀上表現(xiàn)為試樣承載應(yīng)力水平的提高。但當(dāng)水膠比參數(shù)超過合理節(jié)點(diǎn)后，單位用水量的繼續(xù)增多，只會(huì)讓有限的膠凝材料漿液變稀，膠礫料內(nèi)可流動(dòng)性增加，顆粒骨架黏結(jié)劑流失嚴(yán)重，穩(wěn)定性受損害，試樣承載應(yīng)力亦降低[13-14]。比較兩個(gè)圍壓下加載應(yīng)力特征可知，圍壓提高，膠礫料整體承載應(yīng)力水平提高，但不同水膠比間應(yīng)力差異幅度有所增大，應(yīng)變0.4%下水膠比1.1、1.5試樣的加載應(yīng)力較之水膠比0.9試樣下分別減少了27.8%、44.2%，不可忽視；圍壓增大，可從試驗(yàn)環(huán)境角度改變膠礫料試樣內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，擴(kuò)大不同水膠比間差異性，試樣間承載應(yīng)力水平差異顯著。

圖4 水膠比影響下試樣應(yīng)力應(yīng)變特征

從變形特征可知，水膠比影響線彈性模量特征與承載應(yīng)力水平類似，線彈性模量均以水膠比0.9下為最高，圍壓5MPa、10MPa下分別達(dá)210.3MPa、335.7 MPa，而圍壓5MPa下水膠比0.5、1.1、1.5試樣線彈性模量相比前者分別降低了52.7%、26.2%、33.9%，控制水膠比可改變膠礫料線彈性變形能力，從而改變膠礫料屈服應(yīng)力點(diǎn)。從峰值應(yīng)變參數(shù)可知，水膠比變化，峰值應(yīng)變變化規(guī)律性并不顯著，圍壓5MPa下水膠比0.5、0.7、0.9、1.1、1.5試樣峰值應(yīng)變分別為0.53%、0.51%、0.56%、0.54%、0.58%，圍壓增大至10MPa后，試樣峰值應(yīng)變整體均有提高。

3.2 強(qiáng)度特征

由膠礫料三軸抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果(見圖5)可知，三軸抗壓強(qiáng)度隨水膠比參數(shù)為先增后減變化，各圍壓下均以水膠比0.9下為最高，在圍壓5MPa下水膠比0.5～0.9區(qū)間內(nèi)，水膠比增大0.2，膠礫料強(qiáng)度平均增幅為48.2%，而在圍壓10MPa下，此區(qū)間內(nèi)強(qiáng)度增幅僅為51.6%，表明圍壓提高，膠礫料強(qiáng)度差異亦更顯著；而水膠比在0.9～1.5區(qū)間內(nèi)，圍壓5MPa、10MPa下膠礫料強(qiáng)度分別平均降低11.1%、14.6%，故膠礫料強(qiáng)度受水膠比影響具有合理值，從本文試驗(yàn)可判斷水膠比參數(shù)0.9，最利于Corumana壩膠礫料承載性能。

圖5 膠礫料三軸抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系

4 砂率對(duì)膠礫料力學(xué)特征影響

4.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

在Corumana堆筑壩中膠礫料的砂率參數(shù)設(shè)計(jì)亦是配合比設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，為此，在獲得的不同砂率的膠礫料應(yīng)力應(yīng)變特征圖(見圖6)中可看出，與水膠比類似，砂率亦存在合理值，當(dāng)砂率低于25%時(shí)，膠礫料加載應(yīng)力水平為遞增，之后，均為遞減。圍壓5MPa時(shí)，應(yīng)變0.3%下砂率25%試樣加載應(yīng)力為45MPa，而砂率在10%、20%、35%的試樣加載應(yīng)力較之前者分別減少了9%、16%、9.1%，控制砂率處于合理值乃是確保膠礫料高承載應(yīng)力的關(guān)鍵。當(dāng)砂率低于合理值時(shí)，增大砂率，有利于提升整體顆粒骨架密實(shí)度，確保膠凝材料漿液與完整的顆粒骨架相黏結(jié)，最終提升承載能力；但砂率超過合理值后，過多的砂率在有限的漿液黏結(jié)劑作用下無法作為填充孔隙的細(xì)料，此時(shí)顆粒骨架穩(wěn)定性受削弱，故承載應(yīng)力降低[15-16]。由不同圍壓下砂率的線彈性與塑性變形可知，砂率改變，各試樣線彈性模量基本仍保持一致，在圍壓5MPa、10MPa下線彈性模量分別為150.98MPa、224.9MPa，表明砂率不影響膠礫料線彈性變形能力，膠礫石力學(xué)特征差異性主要體現(xiàn)在塑性變形階段，圍壓5MPa下砂率10%、20%、25%、30%、35%試樣的峰值應(yīng)變分別為0.33%、0.61%、0.68%、0.51%、0.44%，即砂率對(duì)峰值應(yīng)變影響與加載應(yīng)力影響變化一致。

圖6 砂率影響下試樣應(yīng)力應(yīng)變特征

4.2 強(qiáng)度特征

在獲得的不同砂率組膠礫料三軸抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系圖(見圖7)中可看出，膠礫料強(qiáng)度最高均為砂率25%試驗(yàn)組，在圍壓5MPa下達(dá)82.8MPa，而砂率高于25%時(shí)，各方案間平均降幅為21.1%，圍壓增大至10MPa后，砂率25%～35%區(qū)間內(nèi)平均降幅僅為15.5%，即圍壓可有效抑制高砂率區(qū)間內(nèi)強(qiáng)度差異幅度。當(dāng)砂率處于低砂率區(qū)間內(nèi)，即砂率在10%～25%時(shí)，圍壓5MPa、10MPa下膠礫料強(qiáng)度平均增幅分別為18.8%、28.9%，此階段內(nèi)圍壓效應(yīng)擴(kuò)大了砂率對(duì)膠礫料強(qiáng)度的促進(jìn)效應(yīng)。綜合本試驗(yàn)結(jié)果與Corumana堆筑壩實(shí)際情況，認(rèn)為砂率控制在25%左右時(shí)膠礫料承載能力最強(qiáng)，此時(shí)Corumana壩體承壓性能最佳。

圖7 膠礫料三軸抗壓強(qiáng)度與砂率關(guān)系

5 結(jié) 論

本文主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.水膠比參數(shù)對(duì)膠礫料力學(xué)特征影響具有階段變化節(jié)點(diǎn)，各圍壓下均以水膠比0.9下的強(qiáng)度、線彈性模量為最高，圍壓5MPa、10MPa下水膠比0.5～0.9區(qū)間內(nèi)強(qiáng)度平均增幅為48.2%、51.6%，而在0.9～1.5區(qū)間內(nèi)降幅僅分別為11.1%、14.6%；圍壓5MPa下水膠比0.5、1.1、1.5試樣線彈性模量相比水膠比0.9下分別降低了52.7%、26.2%、33.9%。

b.當(dāng)砂率低于25%時(shí)，膠礫料加載應(yīng)力水平為遞增，反之，為遞減；砂率10%～25%時(shí)，圍壓5MPa、10MPa下強(qiáng)度平均增幅分別為18.8%、28.9%，而砂率高于20%時(shí)，各方案間平均降幅為21.1%、15.5%；砂率對(duì)膠礫料線彈性變形特征影響較小，主要影響其塑性變形階段。

c.綜合配合比參數(shù)對(duì)膠礫料影響特性以及Corumana水庫堆石壩工程特點(diǎn)，水膠比參數(shù)為0.9、砂率為25%時(shí)，最利于Corumana壩堆筑料承載性能。